imagerie plénoptique : de la lumière visible aux rayons X

Abstract

L’imagerie plénoptique est une technique basée sur l’acquisition des informations spatiales et angulaires des rayons lumineux provenant d’une scène. A partir d’une seule acquisition, un traitement numérique des données permet diverses applications comme la synthèse d’ouverture, le changement de point de vue, la refocalisation à différentes profondeurs, voire une reconstruction en 3D de la scène. L’imagerie plénoptique est beaucoup étudiée dans le visible. La transposition du visible dans le domaine des rayons X est un réel défi. L’imagerie plénoptique permettrait une imagerie 3D en rayons X à partir d’une seule acquisition. Cela aiderait à réduire fortement la dose absorbée par l’échantillon, par rapport à la tomographie qui nécessite une centaine de vues.Dans cette thèse, nous considérons une caméra plénoptique constituée d’une lentille principale, d’une matrice de microlentilles et d’un détecteur. Deux configurations optiques distinctes, constituées de ces trois éléments, sont présentées dans la littérature : la caméra plénoptique « traditionnelle » et celle « focalisée ». La principale différence se trouve dans les distances entre les éléments optiques. L’observation d’une continuité entre ces deux configurations nous a amené à établir un système unique d’équations permettant leur conception optique, ainsi que l’expression théorique des résolutions associées. Ces résolutions ont été validées expérimentalement dans le visible. De plus, l’étude de l’évolution du contraste en fonction de la profondeur a montré que le contraste diminue quand on s’éloigne d’une position privilégiée intrinsèque à la configuration. C’est un résultat important car il pourrait affecter la qualité de l’image reconstruite et l’extraction de la profondeur.Nous avons aussi travaillé sur les algorithmes de refocalisation préexistants, développés indépendamment pour chaque configuration. Nous avons élaboré un nouvel algorithme valide pour les deux configurations. Ce dernier est basé sur les distances physiques entre les éléments optiques, et permet une refocalisation à une distance arbitraire de la caméra. Tout d’abord, nous avons défini une nouvelle paramétrisation entre les espaces objet et image, en établissant la relation matricielle qui régit le trajet d’un rayon lumineux à l’intérieur de la caméra. Cette relation permet de projeter les données acquises par le capteur dans l’espace objet, et ainsi de reconstruire une image pixel par pixel à la profondeur choisie. En inversant les équations, nous avons montré qu’il était possible de créer des images plénoptiques synthétiques. La reconstruction de ces données synthétiques nous a permis de valider la cohérence des résultats après reconstruction, et de quantifier la précision de ce nouvel algorithme.Cet algorithme permet de reconstruire séparément chaque plan de profondeur. Dans chacun d’entre eux, les éléments physiques qui appartiennent réellement à ce plan sont nets, alors que les objets des plans adjacents sont flous. Nous utilisons cette propriété de contraste pour extraire l’information de profondeur dans les images refocalisées. Nous avons sélectionné plusieurs méthodes provenant du domaine de « depth from focus » et avons étudié leurs efficacités sur nos images.Dans le cadre d’une collaboration européenne, nous avons construit la première caméra plénoptique dans les rayons X au synchrotron PETRA III. Grâce au travail réalisé pendant cette thèse, nous avons choisi les configurations optiques les plus adaptées aux optiques disponibles et aux caractéristiques du faisceau. Nous avons réalisé le montage de la caméra, acquis des images plénoptiques en rayons X, refocalisé ces images avec notre algorithme, et vérifié les résolutions optiques. Les méthodes de « depth from focus » appliquées sur les images refocalisées ont permis de retrouver la profondeur attendue. Ce travail correspond aux premières images acquises avec une caméra plénoptique en rayons X.